바이오인

1. 배경

 해양미세조류는 지구 대기환경 조성에서부터 육상 및 수생 생태계의 생물 다양성과 생산성을 결정짓는 중추적인 생물로 널리 알려져 있다. 특히, 광합성 생물인 해양미세조류가 빛에너지 및 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 흡수하여 산소와 유기고분자물질을 고효율로 생산할 수 있음에 착안, 해양미세조류를 인공 배양하여 바이오유용물질 생산에서부터 환경문제해결 등 다각적 방면으로 활용하는 방안이 전 세계적으로 꾸준히 제안되어 오며 생물자원으로서의 가치를 널리 인정받고 있다. 
 그 중 미국의 경우 이미 1978년부터 1996년까지 Aquatic Species Program을 통해 약 3천 종의 미세조류자원으로부터 해수종을 포함한 300종의 유용균주를 선별하였으며, open pond system을 미세조류 대용량 배양에 적용할 수 있음을 입증하였으나 생산성 향상이 가장 시급한 과제라고 결론을 내렸다. 특히 미국 Department of Energy (DOE)는 2010년 Biomass Program의 일환으로 National Algal Biofuels Technology Roadmap을 작성하여, 이 분야에 대한 국가 차원의 체계적 기술 개발 및 지원을 재추진해왔으며, 오바마 행정부는 2012년 원유 수입의 17%를 조류연료로 대체할 수 있다고 발표하였다. 이러한 미세조류의 자원화에 대한 미국정부의 지원은 트럼프 행정부가 들어선 이후에도 지속적으로 진행되고 있는 상황이며, 특히 석탄 화력발전에 대하여 이전 행정부보다 보다 긍정적인 입장을 표명하고 있는 트럼프 행정부 산하에서 미세조류 배양을 기반으로 한 이산화탄소 저감을 골자로 대규모 연구비 투자가 이루어지고 있음은 주목할 만하다. 이밖에도 일본, 유럽 등지에서는 전통적으로 해양미세조류 자원의 활용에 대한 연구가 꾸준히 진행되는 중이며, 최근 중국에서도 Institute of Hydrobiology를 포함한 유수의 기관들이 해양 미세조류 대량생산 시스템 구축 및 미세조류 유래 유용물질 생산에 대한 투자를 공격적으로 진행 중임을 확인할 수 있다. 

 그러나 여전히 낮은 해양미세조류 바이오매스와 미세조류 유래 유용물질 생산성은 관련 산업화에 큰 걸림돌로 여겨지고 있으며, 이러한 배경을 바탕으로 대사공학 기반의 해양미세조류 세포대사경로 재설계를 통해 바이오매스 및 유용물질 생산에 존재하는 대사적 병목구간(bottleneck)을 극복한 세포공장 개발에 대한 투자가 세계적으로 증대되고 있는 추세다. 특히, 유용 단백질, 당지질, 항생물질, 성장 촉진제, 카로티노이드 색소 등 다양한 산업적 활용이 가능한 소재의 산업생산을 목표로 전통, 최신 기법을 기반으로 한 세포공장 개발의 새로운 방향이 다양하게 제시되면서 해양미세조류 세포공장의 상업화에 대한 가능성은 나날이 증대대고 있다. 이와 같은 대사공학 및 합성생물학의 도약과 전방위적 투자를 발판삼아 성공적인 해양세포공장의 구축을 달성해 외부환경 변화에 구애 없이 바이오매스 및 유용물질 수급의 안정성을 확보한다면 기존 해양자원 기반 산업의 틀에서 벗어난 거대한 패러다임의 전환 (paradigm shift)이 있을 것으로 예상된다.

그림 1. 해양미세조류 유래 세포공장 개발 도식도

표 1. 미세조류에서 생산되는 식품 및 의약품 원료

출처: 미세조류의 산업적 유용성(김태한)

2. 해양미세조류 유래 세포공장 개발 관련 국내외 현황

 본 섹션에서는 해양미세조류 유래 세포공장 개발과 관련하여 현재까지 진행되어온 우수 미세조류 자원 확보와 유전체 정보 해독 및 대사공학에 근간을 둔 형질개량에 걸친 연구개발의 국내외 현황에 대하여 간략히 정리하여 보고자 한다.

1) 우량 토착 미세조류 확보

 미국의 미세조류 은행 UTEX는 3,000주 이상의 미세조류를 확보하여 전 세계 연구자들에게 분양 공급하고 있고, 일본의 NIES에서는 분리된 토착 미세조류의 장기 보존을 위하여 남조류와 녹조류를 대상으로 냉동보존법을 개발, 활용하고 있다. 국내의 경우 KCTC에서 약 200종의 미세조류 자원을 보유하여 이의 분양 공급을 수행하고 있으며, 특히 한국생명공학연구원 세포공장연구센터에서는 자체 분리 선별한 우수한 해양미세조류 자원들을 확보하여 세포공장 플랫폼 구축을 위한 연구개발에 적용하고 있다.    

2) 미세조류 유전체 해독 

 1996년 남조류인 Synechocystis sp. PCC 6083 (3.6 Mb)의 유전체 정보가 밝혀진 것이 광합성 미생물 유전체의 최초 해독 사례이고, 진핵 미세조류의 유전체 정보는 황성분이 풍부한 산성 온천수에 서식하는 홍조류의 일종인 Cyanidioschyzon merolae의 것이 2004년에 밝혀진 것이 최초다. 이어서 2007년 녹조류의 일종이자 섬모의 구조와 기능 및 엽록체 기반 광합성 연구의 모델 생명체인 Chlamydomonas reinhardtii (120 Mb)의 유전체가 해독됨으로써 광합성 기초연구에 중요한 단서를 제공하였다. 특히, 해양 환경에 가장 많이 서식하는 식물성 플랑크톤인 규조류의 경우, Thalassiosira pseudonana와 Phaeodactylum tricornutum의 유전체 정보가 해독 되었으며, 한국생명공학연구원의 세포공장연구센터에서는 담수와 해수에 특별한 적응기간 없이 고밀도 바이오매스의 생산을 보이는 토착 클로렐라 균주의 유전체 정보를 해독하여 바이오매스/유용물질 생산 및 미세조류의 진화와 biogeochemical cycle에 관여하는 주요 인자를 이해하는데 유용하게 활용될 연구 기반을 확보하였다. 

3) 대사공학 기반 미세조류 형질전환

 미세조류의 경우 모델 균주인 Chlamydomonas reinhardtii에 대한 집중적인 연구가 진행되어 왔으며, 이에 대한 형질전환 및 유전자 발현 조절, 대사경로 조작, 돌연변이체 연구 등이 활발히 이루어지고 있다. 현재까지 Chlamydomonas를 포함한 약 25종의 조류에서 형질전환 사례가 보고된 바 있으며, 특히 미국의 Synthetic Genomics Inc.의 경우 산업 해양미세조류로 널리 알려진 Nannochloropsis의 형질전환을 CRISPR-Cas9을 활용해 성공하여 바이오매스 생산성의 저해 없이 지질함량을 두 배 증진시켰음을 2017년에 보고하였고, 이듬해에는 Cre-LoxP와 CRISPR-Cas9 기술을 접목시켜 marker의 제한 없이 여러 목표 유전자를 개량하는데 유용하게 접목될 수 있는 기술 개발에도 성공하였다. 
이러한 형질개량에 대한 기술 개발은 지질 생산에 국한되지 않고, 다양한 고부가가치 물질 생산으로 확장되고 있다. 그 일례로 영국 UCL의 구조 및 분자생물학 연구소의 Purton 교수의 경우, 미세조류 기반 의약 단백질 생산 연구를 수행중이며, 미국 애리조나 대학은 지방산, 지질, 카로티노이드, 그 밖의 이소프레노이드, 탄수화물, 단백질, 바이오가스 생산 관련 원천 기술을 개발 중이다. 또한, 남조류 유래 acetyl-CoA carboxylase (ACC) 유전자의 gene dosage를 높여 지방산 합성의 대사 흐름을 증진시키고, 세포의 penicillin-binding protein과 hemolysin-like 표면 막 단백질을 파쇄해 peptidoglycan과 S-layer를 약화시킴으로써 배지내로 지방산이 분비되도록 유도하는 기술이 보고되었다. 

국내의 경우, 한국과학기술원의 바이오시스템공학 연구실에서 해양 미세조류 균주인 Nannochloropsis의 전사인자 과발현을 통해 지질 및 바이오매스 생산 향상이 가능함을 실험실 규모에서 확인하였으며, CRISPR-Cas9 기법을 활용한 모델 미세조류 균주인 Chlamydomonas 균주 개량을 세계에서 2번째로 성공하였다. 또한, 한국생명공학연구원의 세포공장연구센터에서는 유용 색소 및 단백질 생산 증대를 위한 형질전환체 개발을 위해 CRISPR-Cas9, Agrobacterium법 등의 최신, 고전적인 형질전환 방법들의 개선 및 접목을 수행하여 표준화/규격화/모듈화 된 신규 유용물질 생산 가능성을 제시하고 있다.

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